超高性能混凝土：橋梁建筑行業的“新寵”

文 譯

超高性能混凝土的性能遠遠超過傳統混凝土和灌漿料。事實證明，有針對性地使用超高性能混凝土，對于橋梁業主來說是非常有價值的。

什么是UHPC？

超高性能混凝土，簡稱UHPC，是一種纖維加固混凝土，也是當今水泥基材料發展的主要方向，被譽為“近30年來最具創新性的水泥基工程材料”。UHPC的常見成分包括波特蘭水泥、細骨料、超塑劑、鋼纖維、水以及硅灰、粉煤灰等外加劑，與傳統混凝土相比，UHPC材料中的水泥使用量、骨料類型、纖維含量等均有所差異。根據美國聯邦公路局（簡稱“FHWA”）發布的《超高性能混凝土：橋梁協會最新情況報告》（FHWAHRT-13-060），UHPC中的膠凝材料比傳統現澆混凝土高出2.5倍。

雖然UHPC價格昂貴，但其在連接構件、現場組裝和長期性能方面具有非常明顯的優勢。

UHPC的魅力何在？

“超高性能混凝土作為一種先進的建筑材料，其性能遠遠超過傳統混凝土和灌漿料。雖然UHPC價格昂貴，但事實證明，有針對性地使用這種新型材料，對于橋梁業主來說是非常有價值的。”FHWA基礎設施研發辦公室橋梁工程研究組長Ben Graybeal表示，“目前，在美國橋梁市場，UHPC已經成為實現橋梁預制元件之間更簡單、更耐久連接的秘密武器。”

縮短接縫，讓連接更簡單

連接橋梁預制元件通常需要在接縫處設置加強鋼筋，由鋼筋將拉力從一個元件傳到另一個元件上。常規混凝土連接需要設置較長的搭接鋼筋和錨固鋼筋來抵抗應力，而超高性能混凝土具有較高的強度和粘結性能，能夠更有效地抵抗應力，因而接縫處不需要錨固鋼筋，且搭接的鋼筋長度也可以適當縮短。換言之，超高性能混凝土可以縮短接縫，讓鋼筋構件連接變得更簡單。

抵抗外力，讓連接更耐久

采用傳統混凝土連接（左）和采用UHPC連接（右）預制橋面板的對比圖。

FHWA對UHPC的定義是：水膠比小于0.25、抗壓強度大于150兆帕、開裂后持續抗拉強度大于5兆帕。在150兆帕壓強下，UHPC的抗壓強度是大多數傳統現澆混凝土的4倍以上。UHPC的軸心抗拉強度可達8.5兆帕，是大多數傳統現澆混凝土抗拉強度的3倍。更重要的是，UHPC開裂后仍然可以保持原有的抗拉強度。因此，與傳統混凝土相比，UHPC可以在橋梁預制元件之間建立更強的連接。

案例：

UHPC在全球橋梁工程中的應用

●加拿大1997年，加拿大在魁北克舍布魯克市建成了世界上第一座UHPC人行橋——謝布克（Sherbrooke）人行橋。由于應用了UHPC材料，橋梁的結構自重大大減輕，同時還可有效抵抗當地嚴冬零下30攝氏度的低溫。該橋于1999年獲得Nova獎提名。

●法國法國是第一個將UHPC成功商業化的國家，并于2001年建成了世界上最早的UHPC公路橋——Bourg-Les-Valence OA4和OA6跨線橋。

●德國2005年，德國開展了一個超過20個研究機構參與，經費超9000萬元的UHPC研究項目——基于UHPC的可持續建筑，為制定全面的UHPC技術標準提供研究成果。2007年，德國修建了第一座多跨UHPC橋梁——加特納橋。該橋為人行和自行車兩用橋梁，共有6跨，橋長133.2米，最大跨徑36米，跨越富爾達河。

●美國美國第一個采用UHPC的高速公路項目是位于愛荷華州瓦佩洛縣的馬斯希爾橋，該橋于2005年建造，于2006年竣工。自2005年以來，美國交通部門已使用UHPC完成了100多個橋梁項目。

●中國2016年，湖南長沙建成了一座長70.8米，寬6.5米的UHPC跨街天橋。由于應用了UHPC材料，橋梁上部結構重量減輕了近三分之一，全長70.8米的橋梁只需2個橋墩，主跨增加到了36.8米。

預制橋面板即將被運至施工現場連接裝配。

由于水和氯化物的滲透，傳統混凝土很容易受到破壞，最終導致混凝土凍融破壞和鋼筋腐蝕。而UHPC在配制過程中，通常只使用細砂石和玻璃粉等細骨料，用以形成層次結構，當細骨料與水泥結合時，能夠提供具有不連續孔結構的致密基體，與傳統混凝土相比，這種結構能阻止水分滲入混凝土，避免混凝土凍融破壞和鋼筋腐蝕。

簡而言之，使用UHPC進行橋梁預制元件的連接可以增強結構強度和耐久性，讓施工更簡單，雖然UHPC材料的成本可能很高，但其在連接構件、現場組裝和長期性能方面具有非常明顯的優勢。

如何降低使用成本？

高水泥含量、嚴格的配料控制以及鋼纖維的使用讓超高性能混凝土的價格明顯高于傳統混凝土。雖然許多公路管理部門都清楚UHPC在強度和耐久性方面均優于傳統混凝土，但由于材料成本較高，目前還無法在橋梁工程中使用UHPC來替代傳統混凝土。研究發現，在強度和耐久性的明顯需求下，橋梁構件連接所需的UHPC量相對較小，且UHPC使用的混凝土和鋼筋較少、接縫較小，因此FHWA致力于推廣使用UHPC進行橋梁構件連接，以降低高昂的材料成本。

從全壽命周期成本來看，使用UHPC可以極大地減少未來的養護維修次數，與使用傳統混凝土的橋梁相比，其全壽命周期成本仍然占優勢。普拉斯基天橋位于新澤西州紐瓦克和139號公路之間，連接美國1號和9號公路。新澤西州交通部目前正在使用通過UHPC連接的預制橋面板進行橋面更換。除了降低未來維修費用外，使用UHPC進行連接還可以降低交通管制的成本和車道封閉維修帶來的用戶損失。

使用UHPC可以極大地減少未來的養護維修次數，與使用傳統混凝土的橋梁相比，其全壽命周期成本仍然占優勢。

UHPC連接的類型有哪些？

在橋梁運營過程中，橋面板會暴露在環境里，橋面板及其連接件的耐久性直接影響了橋梁的使用壽命。公路管理部門最常使用UHPC將預制橋面板連接在一起，或是將UHPC用于橋面板與梁的連接，以提高橋面板的耐久性和使用壽命。

此外，公路管理部門還會使用UHPC來連接模塊化的上部結構元件。換言之，梁和橋面板可先在場外制造后運至施工現場組合，不用在梁上現澆單獨的橋面板。將預制橋面板運至施工現場連接裝配，與在現場澆筑橋面板混凝土相比，不僅縮短了施工時間，還盡可能確保了橋面板的質量。

上部結構的元件模塊包括與橋面板配套設置的預制混凝土梁或鋼梁，預制相鄰箱梁及鉸接板梁。上部結構元件模塊之間的連接為橋面板間的連接，提高其連接的耐久性同樣重要。與傳統的混凝土相比，相鄰箱梁和鉸接板梁之間易出現縱向連接方向上的裂縫，而使用UHPC則可以減輕或消除這種開裂。

除了上部結構元件外，UHPC還可以用于連接橋梁的預制下部結構構件。橋梁墩臺施工不需要現澆混凝土，而是由預制混凝土構件現場拼接。下部結構連接使用的加強鋼筋通常比上部結構的更粗，若采用傳統混凝土連接，連接將變得異常復雜，但使用UHPC可以有效縮短連接件的尺寸，降低連接的復雜程度。